自动控制原理课件--1

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1、自动控制原理简明教程 胡寿松 主编 科学出版社 普通高等教育“十一五” 国家级规划教材 第2章 控制系统的数学模型 第1章 控制系统导论 第3章 线性系统的时域分析法 第4章 线性系统的概轨迹法 第5章 线性系统的频域分析法 第6章 线性系统的校正方法 主要内容 参考资料 1、自动控制原理同步辅导及习题全解 2、自动控制原理习题与解析 课程性质及学时 专业必修课 54 学时 每周 6学时 考核办法 平时：30分（出勤10、测验10、作业10） 考试：70分（期末闭卷考试） 任课教师：蔡桂英 办 公 室：计算机控制教研室 联系方式 电 话：13054289551 邮 箱：cai_guiying

2、第一章 控制系统导论 1-1 自动控制的基本原理 1-2 自动控制系统示例 1-3 自动控制系统的分类 1-4 自动控制系统的基本要求 重点与难点 l 掌握控制系统的基本概念和工作原理 l 会画控制系统的原理方框图，并阐 述其工作原理 l 掌握控制系统的基本控制方式和分类 l 掌握控制系统的基本要求 1-1自动控制的基本原理 一、自动控制理论的发展 1. 经典控制理论-19世纪初 以传递函数为基础，它主要研究单输 入单输出、线性定常系统的分析和设 计问题。 时域法 复域法 （根轨迹法） 频域法 1-1自动控制基本原理 一、自动控制理论的发展 2. 现代控制理论- 20世纪60年代 采用以状态为

3、基础的状态空间法，它 主要研究具有高性能、高精度的多变量变 参数系统的最优控制问题。 线性系统 自适应控制 最优控制 最佳估计 容错控制 系统辨识 1-1自动控制基本原理 一、自动控制理论的发展 3. 智能控制理论 - 20世纪70年代 以控制论、信息论、仿生学为基础的 智能控制系统。 专家系统 模糊控制 神经网络 遗传算法 1-1自动控制基本原理 二、自动控制系统的基本概念 在没有人直接 参与的情况下，利 用外加的设备或装 置，使机器、设备 或生产过程的某个 工作状态或参数自 动地按照预定的规 律（给定量）运行 。 减速器 阀门 流入 Q1 浮子 水箱 流出 Q2 H 水位自动控制系统 SM

4、 电动机 + - 电位器 1.自动控制 1-1自动控制基本原理 二、自动控制系统的基本概念 要求实现自动 控制的机器、设备 或生产过程。 被控对象：水箱 减速器 阀门 流入 Q1 浮子 水箱 流出 Q2 H 水位自动控制系统 SM 电动机 + - 电位器 （1）被控对象 1-1自动控制基本原理 二、自动控制系统的基本概念 对被控对象起 控制作用的控制装 置总体。 控制装置： 浮子、电位器、 电动机、减速器、阀门 减速器 阀门 流入 Q1 浮子 水箱 流出 Q2 H 水位自动控制系统 SM 电动机 + - 电位器 （2）控制装置 1-1自动控制基本原理 二、自动控制系统的基本概念 （3）输出量

5、位于控制系统 输出端，并要求实 现自动控制的物理 量，也称被控量。 输出量：水箱实际水位 减速器 阀门 流入 Q1 浮子 水箱 流出 Q2 H 水位自动控制系统 SM 电动机 + - 电位器 1-1自动控制基本原理 二、自动控制系统的基本概念 （4）输入量 作用于控制系 统输入端，并使系 统具有预定功能或 预定输出的物理量 也称给定量或控制 量。 输入量：水箱给定水 位对应电位器中点零 电位处 减速器 阀门 流入 Q1 浮子 水箱 流出 Q2 H 水位自动控制系统 SM 电动机 + - 电位器 1-1自动控制基本原理 二、自动控制系统的基本概念 （5）扰动量 破坏系统输入 量和输出量之间预 定

6、规律的信号。 扰动量：输出液流量Q2 减速器 阀门 流入 Q1 浮子 水箱 流出 Q2 H 水位自动控制系统 SM 电动机 + - 电位器 1-1自动控制基本原理 二、自动控制系统的基本概念 2. 自动控制系统 能够实现自动 控制任务的系统， 由控制装置和被控 对象组成。 水位自动控制系统 控制器装置：浮子、 电位器、电动机、减 速器、阀门 被控对象：水箱 减速器 阀门 流入 Q1 浮子 水箱 流出 Q2 H 水位自动控制系统 SM 电动机 + - 电位器 1-1自动控制基本原理 二、自动控制系统的基本概念 控制任务：维持水箱 水位恒定H 3. 控制系统的任务 减小或消除扰 动量的影响，使被

7、控对象的被控量始 终按给定确定的运 动规律去变化。 减速器 阀门 流入 Q1 浮子 水箱 流出 Q2 H 水位自动控制系统 SM 电动机 + - 电位器 1-1自动控制基本原理 二、自动控制系统的基本概念 减速器 阀门 流入 Q1 浮子 水箱 流出 Q2 H 水位自动控制系统 SM 电动机 + - 电位器 （1）被控对象 1、自动控制 （2）控制装置 （3）输出量（被控量） （4）输入量（给定量、控制量 ） （5）扰动量 2、自动控制系统 3、控制系统任务 1-1自动控制基本原理 三、自动控制系统的组成 串联补偿元件 放大 元件 执行 元件 被控 对象 测量元件 反馈补偿元件 - - 局部反馈

8、 主反馈 （1）给定元件 提供控制量 （被控量、给定量） （2）测量元件 测量被控量 （3）比较元件 比较控制量 与反馈量，给出偏差信号 。 减速器 阀门 流入 Q1 浮子 水箱 流出 Q2 H 水位自动控制系统 SM 电动机 + - 电位器 1-1自动控制基本原理 三、自动控制系统的组成 1-1自动控制基本原理 三、自动控制系统的组成 串联补偿元件 放大 元件 执行 元件 被控 对象 测量元件 反馈补偿元件 - - 局部反馈 主反馈 （1）给定元件 提供控制量 （被控量、给定量） （2）测量元件 测量被控量 （3）比较元件 比较控制量 与反馈量，给出偏差信号 。 电位器 减速器 阀门 流入

9、Q1 浮子 水箱 流出 Q2 H 水位自动控制系统 SM 电动机 + - 电位器 1-1自动控制基本原理 三、自动控制系统的组成 1-1自动控制基本原理 三、自动控制系统的组成 串联补偿元件 放大 元件 执行 元件 被控 对象 测量元件 反馈补偿元件 - - 局部反馈 主反馈 （1）给定元件 提供控制量 （被控量、给定量） （2）测量元件 测量被控量 （3）比较元件 比较控制量 与反馈量，给出偏差信号 。 浮子 减速器 阀门 流入 Q1 浮子 水箱 流出 Q2 H 水位自动控制系统 SM 电动机 + - 电位器 1-1自动控制基本原理 三、自动控制系统的组成 1-1自动控制基本原理 三、自动控

10、制系统的组成 串联补偿元件 放大 元件 执行 元件 被控 对象 测量元件 反馈补偿元件 - - 局部反馈 主反馈 （1）给定元件 提供控制量 （被控量、给定量） （2）测量元件 测量被控量 （3）比较元件 比较控制量 与反馈量，给出偏差信号 。 电位器 减速器 阀门 流入 Q1 浮子 水箱 流出 Q2 H 水位自动控制系统 SM 电动机 + - 电位器 1-1自动控制基本原理 三、自动控制系统的组成 1-1自动控制基本原理 三、自动控制系统的组成 串联补偿元件 放大 元件 执行 元件 被控 对象 测量元件 反馈补偿元件 - - 局部反馈 主反馈 （4）放大元件 放大偏差号 （5）执行机构 对被

11、控对象 施加控制 （6）校正元件 改善性能 电动机、减速器、 阀门 1-1自动控制基本原理 四、自动控制系统的工作原理 被控对象： 被控量： 给定量： 测量元件： 比较元件： 执行元件： 控制任务： 减速器 阀门 流入 Q1 浮子 水箱 流出 Q2 H 水位自动控制系统 SM 电动机 + - 电位器 水箱 实际水位 设定电位Ur 浮子 电位器 电动机 保持水箱 液面高度H不变。 1-1自动控制基本原理 四、自动控制系统的工作原理 将系统的输出量 实际水位经测量反馈 到输入端，与给定输 入量比较得到偏差信 号，经控制装置产生 控制作用，使偏差消 除或减少，保证系统 的输出量按给定输入 量的要求变

12、化。 减速器 阀门 流入 Q1 浮子 水箱 流出 Q2 H 水位自动控制系统 SM 电动机 + - 电位器 1-1自动控制基本原理 四、自动控制系统的工作原理 当电位器电刷位于 中点（Ur）时，电动机 静不动，此时Q1=Q2； 当H降低时，浮子 下降，通过杠杆作用， 使电位器电刷由中点位 置上移，给电动机提供 控制电压，通过减速器 带动进水阀门向增大开 度方向转动，加大进水 量，使液面升高到给定 高度H。反之亦然。 减速器 阀门 流入 Q1 浮子 水箱 流出 Q2 H 水位自动控制系统 SM 电动机 + - 电位器 1-1自动控制基本原理 五、系统方框图 减速器 阀门流入 Q1 浮子 水箱 流

13、出 Q2 H 水位自动控制系统 SM 电动机 + - 电位器 串联补偿元件 放大 元件 执行 元件 被控 对象 测量元件 反馈补偿元件 - - 局部反馈 主反馈 给定元件 ？ 比较元件 ？ 1-1自动控制基本原理 五、系统方框图 减速器 阀门流入 Q1 浮子 水箱 流出 Q2 H 水位自动控制系统 SM 电动机 + - 电位器 放大 元件 执行 元件 被控 对象 测量元件 - 主反馈 给定元件 ？ 比较元件 ？ 1-1自动控制基本原理 五、系统方框图 减速器 阀门流入 Q1 浮子 水箱 流出 Q2 H 水位自动控制系统 SM 电动机 + - 电位器 电动机 - 减速机阀门 Q1 水箱 Q2 h

14、 浮子连杆 设定电位ur 反馈信号uf 水位自动控制系统方框图 u 1-2 自动控制系统示例 例1. 炉温控制系统的工作 原理如下图所示，指出系统的输 入量、输出量、偏差信号和被控对象，画出系统方块图， 并简单说明炉温的调节过各 减速器 放 大 环 节 电阻丝 自 耦 调 压 器 热电偶 输入量 ： 输出量 ： 偏差信号 ： 被控对象 ： 给定电压ui 实际炉温 ui + - u uf + - u= - 电炉 uiuf 电 炉 例1. 炉温控制系统的工作 原理如下图所示，指出系统的输 入量、输出量、偏差信号和被控对象，画出系统方块图， 并简单说明炉温的调节过程 电机 1-2 自动控制系统示例

15、减速器 放 大 环 节 电阻丝 自 耦 调 压 器 热电偶 ui + - u uf + - 电 炉 放大 环节 - 电机减速器调压器 热电偶 ui uf u 电炉电阻丝 例1. 炉温控制系统方块图 电机 1-2 自动控制系统示例 减速器 放 大 环 节 电阻丝 自 耦 调 压 器 热电偶 ui + - u uf + - 电 炉 例1. 炉内温度经热电偶测量转换为电信号 uf，当炉内温度小于 设定温度时，即uf ui，产生偏差信号u，经放大环节后 驱动电机正向转动，经减速器调整自耦调压器的动点位置 从而提高加热电压，使炉内稳定升高，直到uf= ui，此时 电机停止转动；反之亦然。 炉温的调节过程： 电机 1-2 自动控制系统示例 冷凝器 练习. 电冰箱的制冷系统 原理如下图所示，继电器的输出电压Ur为 压缩机上的工作电压。指出系统的被控对象、输入量、输出量 、比较元件、执行元件；画出系统框图，并简述工作原理。 压缩机 继电器 蒸发器 放大器 温度 传感器 +E 冰箱 低温低压气体高温高压气体 u 电冰箱制冷系统原理图 被控对象：输入量：输出量： 比较元件： 执行元件： 冰箱：给定温度对应ur 实际温度T ur u1 放大器 压缩机 继电器 给定电压ur 放大器压缩机冷凝器蒸发器冰箱 实际温度 温度传感器 T u1 工作原理：设定温度对应的电压ur和温度传感器测得实际温度对